WO2019214847A1 - Verfahren zur gewinnung eines oder mehrerer luftprodukte und luftzerlegungsanlage - Google Patents

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    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
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    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/04—Mixing or blending of fluids with the feed stream
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    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/02—Recycle of a stream in general, e.g. a by-pass stream

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining one or more air products and an air separation plant according to the preambles of the independent
  • Air separation plants have rectification column systems, which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • rectification column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • Rectification columns for the recovery of nitrogen and / or oxygen in the liquid and / or gaseous state ie the rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, can be provided.
  • the rectification columns of said rectification column systems are operated at different pressure levels.
  • Double column systems have a so-called high-pressure column (also referred to as pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (also referred to as the upper column).
  • the pressure level of the high pressure column is for example 4 to 6 bar, preferably about 5.5 bar.
  • the low-pressure column is at a pressure level of, for example, 1, 3 to 1, 7 bar, preferably about 1, 5 bar operated.
  • the pressure levels given here and below are in each case absolute pressures that are present at the top of the respectively named columns. The values mentioned are only examples that can be changed if necessary.
  • main compressor / compressor Mainn Air Compressor / Booster Air Compressor, MAC-BAC
  • High pressure air (HAP) method can be used.
  • the main compressor / booster processes are the more likely
  • High pressure column differentiates, compacts, and fed to the high pressure column at this lower pressure level.
  • An example of a main compressor / densifier process is shown in Häring (supra) in Figure 2.3A.
  • the pressure difference can be, for example, up to 14, 16, 18 or 20 bar.
  • High-pressure methods are known, for example, from EP 2 980 514 A1 and EP 2 963 367 A1.
  • the present invention is used in particular in air separation plants with so-called internal compression (IV, Internal Compression, IC).
  • IV Internal Compression, IC
  • at least one product which is provided by means of the air separation plant is formed by removing a cryogenic liquid from the rectification column system, subjecting it to a pressure increase in the liquid state, and converting it to the gaseous or supercritical state by heating.
  • FR 2 787 561 A1 relates to a process, taken from the high-pressure column with nitrogen and partly by a further condenser evaporator, which is located above the main condenser in the low-pressure column is performed.
  • Liquid formed here can be partly recycled to the high pressure column and partly to the low pressure column.
  • High-pressure method could be used.
  • EP 3 176 526 A1 proposes a method for transferring a fluid from a first separation column area into a second separation column area, wherein the transfer comprises an evaporation and a re-liquefaction.
  • Cycle fluid removed from the distillation column system is heated, compressed and cooled. One part is expanded to perform work, the remainder is liquefied.
  • the present invention therefore has as its object, at least in some of such cases, to enable an advantageous use of a high-pressure method. Disclosure of the invention
  • This task is accomplished by a process for obtaining one or more
  • cryogenic fluid By a “cryogenic” fluid is meant here a liquid medium whose boiling point is well below the ambient temperature, e.g. at -50 ° C or less, especially at -100 ° C or less.
  • cryogenic liquids are liquid air, liquid oxygen, liquid nitrogen, liquid argon or liquids rich in the compounds mentioned.
  • turbocompressors In air separation plants, multi-stage turbocompressors are used for compressing the amount of feed air, which are referred to here as "main air compressors".
  • the mechanical design of turbocompressors is known in principle to the person skilled in the art.
  • a turbocompressor the compression of the medium to be compressed takes place by means of turbine blades which are arranged on a turbine wheel or directly on a shaft.
  • a turbocompressor forms a structural unit which, however, can have several compressor stages in a multi-stage turbocompressor.
  • a compressor stage comprises a turbine wheel or a corresponding arrangement of turbine blades. All of these compressor stages can be driven by a common shaft. However, it can also be provided to drive the compressor stages in groups with different waves, wherein the waves can also be connected to each other via gears.
  • the main air compressor is also distinguished by the fact that through this the total amount of air fed into the rectification column system and used for the production of air products, ie the total feed air, is compressed. Accordingly, a "re-compressor" may be provided, but in which only a part of the compressed in the main air compressor air quantity is brought to an even higher pressure. This can also be designed as a turbo compressor. For compressing partial air quantities, further turbocompressors are typically provided, which are also referred to as boosters, in comparison to the
  • Main air compressor or the booster make only a compression in a relatively small extent. Even in a high-pressure method, a booster may be present, but this compresses a subset of the air then starting from a correspondingly higher pressure level.
  • turboexpanders can also be coupled with turbo compressors and drive them. If one or more turbocompressors without externally supplied energy, i. driven only by one or more turboexpander, the term “turbine booster” is used for such an arrangement. In a turbine booster are the
  • Turboexpander (the expansion turbine) and the turbo compressor (the booster) mechanically coupled, the coupling speed equal (for example, via a common shaft) or speed different (for example, via a
  • a booster can in principle also be using external energy, for example using a Electric motor, to be driven.
  • external energy for example using a Electric motor
  • turbine boosters and booster driven using external energy can be used.
  • Liquid, gaseous, or supercritical fluids may be rich or poor in one or more of the languages used herein
  • nitrogen the speech, it may be a clean gas, but also a nitrogen-rich gas.
  • pressure level and "temperature level” are used to indicate that pressures and temperatures need not be used in the form of exact pressure or temperature values to achieve an inventive concept. However, such pressures and temperatures are moving
  • pressure levels include unavoidable or expected pressure drops, for example, due to cooling effects.
  • the pressure levels specified here in bar are absolute pressures.
  • a so-called cold booster can be used to process efficiency by
  • Air separation plant supplied feed air, which was cooled in the main heat exchanger to an intermediate temperature level and possibly previously had been increased pressure, brought to a higher pressure level.
  • An air separation plant with a cold booster is disclosed for example in EP 3 101 374 A2.
  • a corresponding system with a cold booster can be used, for example, when approximately 37,000 standard cubic meters of compressed gaseous oxygen per hour at 31 bar, 20,000 standard cubic meters of gaseous nitrogen per hour at 10 bar, 3,000 standard cubic meters of liquid nitrogen per hour and 3,300 standard cubic meters of liquid oxygen per hour , especially with simultaneous argon production, are to be formed.
  • a booster here is understood to mean a booster which is supplied with fluid which is present at a temperature level which is significantly below the respective ambient temperature at the location of the air separation plant, in particular well below -50 ° C. or below -100 ° C. ,
  • a cold booster for use in the present invention may be designed as a turbine booster or as a booster powered by external energy.
  • An improvement in the efficiency of high-pressure air method by the use of multiple throttle currents at different pressures is also known.
  • a "throttle flow" is a part of the amount of feed air, which at a pressure level above the operating pressure of the high pressure column in
  • Main heat exchanger cooled, at least partially liquefied or at
  • a relaxation device typically an expansion valve (“throttle") relaxed and the rectification column system, in particular the high-pressure column, is supplied.
  • throttle expansion valve
  • a pressurized nitrogen product at, for example, about 10 bar can be provided, for example, by recompression, in particular as pressurized nitrogen from the high-pressure column operating at about 5.5 bar, or by internal compression.
  • a separate compressor is required, in the latter case an internal compression pump and an even larger heat exchanger.
  • the nitrogen from the high-pressure column is therefore not subjected to heating to ambient temperature but only part heating in the context of the invention before it is fed to the compression.
  • a compressor operated at a corresponding temperature level for the nitrogen flow from the high-pressure column can be dispensed downstream of the compressor to an aftercooler, since the outlet temperature of this
  • Compressor due to the colder inlet temperature for example, at a desired discharge temperature or an inlet temperature in the
  • Main heat exchanger can lie.
  • the exit temperature can be easily adjusted by a suitable choice of the inlet temperature and the pressure ratio in the compression in the booster.
  • the pressure ratios of cold boosters are typically at most 1, 9 to 2.
  • a pressure ratio is defined as the ratio of the inlet pressure to the outlet pressure of a corresponding booster. This pressure ratio is sufficient to deliver the required amount of nitrogen product, in the present case at about 10 bar. Therefore, a cold booster for providing pressurized nitrogen at a corresponding pressure level is advantageously used. The same applies with respect to the booster used according to the present invention. This can have a comparable pressure ratio. This is sufficient in the context of the present invention, the required amount of nitrogen product, in the present case, for example, at about 10 or 9 bar (abs.) To deliver.
  • the present invention includes in addition to the densification of a
  • Pressure nitrogen product always also the particularly advantageous balancing of the excess cooling capacity in the entire process and the performance of the booster or compressor used. This is achieved in that in addition to the respective amount of product and a certain additional amount of pressurized nitrogen from the high-pressure column is also compressed and then used as an additional inductor current in the main heat exchanger. A corresponding additional amount of pressure nitrogen is thus in the context of the present invention in
  • Main heat exchanger at least partially liquefied and returned to the
  • GAN gaseous nitrogen pressure
  • LIN liquid nitrogen
  • LOX liquid oxygen
  • Liquid Argon (LAR) are produced.
  • the kF value is about 230 kW / K below, that is to say 94% of the value in the advantageous embodiment.
  • Heat exchanger is in both cases at 1, 0 K (according to boundary conditions for process optimization).
  • the energy consumption results in the advantageous
  • Embodiment can be provided about 1 993 standard cubic meters per hour argon product. In the conventional hot compression process, this value is lower by 15 standard cubic meters per hour (relevant to markets with high argon demand).
  • the present invention also provides a cost-effective and nevertheless efficient HAP method in cases in which the use of a classic cold booster is not meaningful or advantageous.
  • An important additional benefit of the present invention is the provision of a suitable concept for covering peak consumption of a pressurized nitrogen product of the type discussed below. Corresponding peak ratios may be markedly high (for example, a factor of 2 to 5 higher than a continuous consumption).
  • the present invention is basically in a variety of
  • the booster or compressor used to compress the nitrogen or a nitrogen-rich fluid from the high-pressure column can be designed in multiple stages (for significantly higher final pressures).
  • the illustrated nitrogen throttling stream can be removed after the first stage. Embodiments with significantly higher pressures are also conceivable.
  • the use of an additional nitrogen throttling flow also has a positive effect on the product yield, since less air is pre-liquefied in this way (instead of feed air
  • Low-pressure column argon optimized so be carried out with an additional rectification section between the feed points of the argon capacitors, for example, when raw and pure argon columns or argon discharge columns are used.
  • the amount of additional nitrogen flow is thereby an optimization parameter. All nitrogen taken from the high pressure column and neither condensed nor recycled as reflux into it nor condensed and used as a liquid reflux to the low pressure column (as in the present case), basically affects the Separation in the low-pressure column because he is no longer available there as a return.
  • the present invention proposes a method for recovering one or more air products using an air separation plant having a rectification column system comprising a high pressure column and a low pressure column, and further equipped with a main heat exchanger and a main air compressor.
  • a rectification column system comprising a high pressure column and a low pressure column, and further equipped with a main heat exchanger and a main air compressor.
  • the entire air supplied to the rectification column system is compressed in the main air compressor to a first pressure level and the high-pressure column is operated at a second pressure level which is at least 3 bar below the first pressure level.
  • a second pressure level which is at least 3 bar below the first pressure level.
  • the high-pressure column at the second pressure level a gaseous, nitrogen-rich fluid, for example, having a nitrogen content of at least 75%, 80%, 85%, 90%, 95% or 99%, removed and warmed without prior liquefaction in the gaseous state.
  • This fluid is in conventional air separation plants to pressurized nitrogen, which is to be withdrawn as a process product of the air separation plant.
  • a corresponding fluid is heated "in the gaseous state" without a prior liquefaction
  • a corresponding fluid is not nitrogen taken from the high-pressure column, in a high-pressure column. and the low-pressure column heat-condensing connecting main condenser liquefied and then returned, for example, to the high-pressure column or fed into the low-pressure column.
  • such fluid can be
  • Corresponding fluids can also be used in the context of the present invention (but in addition to the fluid heated in the gaseous state without prior liquefaction).
  • a first subset of the gaseous, nitrogen-rich fluid to a first temperature level of -50 to 0 ° C, especially -50 to -20 ° C, more particularly -45 to -35 ° C,
  • the booster is not a "cold booster" in the sense explained above because of the first temperature level at which the gaseous, nitrogen-rich fluid or the first subset of this fluid is supplied to the booster.
  • the booster can be designed as a turbine booster or as a booster powered by external energy, as already explained. The benefits have also been mentioned before.
  • the third pressure level lies in particular at a pressure level at which a corresponding nitrogen product is to be discharged, for example at a pressure of 8 to 12 bar, in particular 9 to 11 bar, for example about 10 or 9 bar (abs .).
  • a pressure level is thus the discharge pressure of a corresponding nitrogen-rich printed product.
  • it is further provided to permanently divert the first subset from the air separation plant. The corresponding first subset is thus provided as a printed product.
  • the present invention it is always intended to heat a second subset of the gaseous, nitrogen-rich fluid together with the previously mentioned first subset also to the first temperature level, to the booster at this first temperature level, and further to the third using the booster To compress pressure level. Further, according to the invention, the second subset after compression to the third pressure level at least temporarily to a second temperature level below the first
  • Cooling temperature levels then relax to the second pressure level, and returned to the high pressure column. This corresponds to the above-explained formation of a further inductor current and leads to the specific advantages explained further there.
  • the second subset is in particular at least partially liquefied or transferred from the supercritical state into the liquid state.
  • a subset namely, the second subset of the one compressed in the booster
  • Temperature level may be a temperature level of -180 to -165 ° C, in particular from -177 to -167 ° C, for example -172 ° C, act.
  • the second subset is thereby supplied to the cooling to the second temperature level advantageously at a temperature level which is at least at the temperature level at which the second subset is taken from the booster.
  • the temperature level at which the second subset of the cooling is supplied is thus in this case equal to or higher than the temperature level at which the second subset is taken from the booster. In other words, no aftercooler is used in this advantageous embodiment of the invention.
  • the cooling to the second temperature level is advantageously carried out in the main heat exchanger. The temperature level of the removal of the second subset from the booster and the temperature level of the feed of the second subset in the
  • Main heat exchangers are advantageously at a temperature level in which Also feed air is supplied to the main heat exchanger, or a warmest temperature level, which is present in the main heat exchanger.
  • feed air is supplied to the main heat exchanger, or a warmest temperature level, which is present in the main heat exchanger.
  • the second subset after compression to the third pressure level in a first period is cooled to the second temperature level below the first temperature level to form the further throttle current as discussed the second pressure level is released, and returned to the high pressure column.
  • a second period which does not overlap with the first period (if a corresponding
  • the second portion instead of at least partially be permanently discharged together with the first subset of the air separation plant.
  • the present invention is particularly suitable if comparatively large amounts of liquid air products are to be provided by means of a corresponding process or a corresponding plant and at the same time an oxygen internal compaction product is provided.
  • one or more liquid air products in the liquid state are permanently discharged from the air separation plant.
  • These liquid air products include in particular liquid oxygen, liquid nitrogen and liquid argon or fluids which are rich in these components in the sense explained above. Not all of these liquid air products must be provided in the context of the present invention and permanently discharged from the air separation plant.
  • one or more oxygen-rich liquids are removed from the distillation column system, pressure-increased in the liquid state, converted into the gaseous or supercritical state by heating, and also permanently removed from the
  • Air separation plant discharged In the context of the present invention, an equivalent amount of all of the permanent from the air separation plant
  • the equivalence quantity, if present, is determined from one
  • Corresponding nitrogen can be provided for example in the form of so-called seal gas or as a nitrogen product at a lower pressure level.
  • the first, the second and the third subset preferably together form the total amount of the high-pressure column removed and non-liquefied nitrogen-rich fluid.
  • the first and the second subset are heated to the first temperature level using the main heat exchanger and / or if the second subset
  • Main heat exchanger can be influenced in a particularly favorable manner.
  • the booster used for compressing the nitrogen flow that is to say the first and second subset, is coupled with an expansion turbine, ie represents a turbine booster. It is particularly advantageous if in the expansion turbine coupled to the booster a portion of the air supplied to the rectification column system is depressurized to the second pressure level which has previously been measured using the expansion turbine coupled to the booster.
  • Main air compressor was cooled to a third temperature level and which is then fed into the high-pressure column.
  • the third temperature level may be at -170 to -120 ° C, especially at -160 to -130 ° C, for example -149 ° C, lie.
  • the relaxation of part of the air supplied to the rectification system in an expansion turbine in order to drive the booster can in principle also take place at approximately the pressure level of the low-pressure column with subsequent introduction of this flow into the low-pressure column. In certain cases, it may also be useful to another nitrogen flow at the second pressure level of
  • the booster may be powered using external energy, not energy stored in a process stream provided in the air separation plant.
  • an electric motor can be used to drive the booster.
  • the second subset comprises a fraction, in particular a standardized fraction, for example expressed in standard cubic meters per hour, from 0 to 60%, in particular from 10 to 50%, of the high-pressure column taken at the second pressure level and without prior liquefaction gaseous state heated gaseous nitrogen-rich fluid.
  • a fraction in particular a standardized fraction, for example expressed in standard cubic meters per hour, from 0 to 60%, in particular from 10 to 50%, of the high-pressure column taken at the second pressure level and without prior liquefaction gaseous state heated gaseous nitrogen-rich fluid.
  • Such a procedure using a classic warm booster can basically correspond to the state of the art and supports the achievable within the scope of the present invention advantages.
  • Rectification column system is supplied liquid, cooled at the first pressure level using the main heat exchanger, relaxed from the first pressure level to the second pressure level, and then fed to the high-pressure column.
  • Rectification column system at least one rectification column, in which a compared to a bottom liquid of the high pressure column of argon enriched first fluid is transferred from the low pressure column, and in which the first fluid is depleted of argon. An after depletion of argon remaining remainder of the first fluid is thereby recycled in the form of a second fluid in the low pressure column.
  • the "depletion" of argon refers to the remainder of the fluid that is returned to the low pressure column.
  • a top gas of the rectification column, into which the first fluid is transferred is further enriched in argon with respect to the first fluid.
  • the present invention can be used in principle using known crude and possibly pure argon columns, but it is also a pure Argonausschleusung without obtaining an argon product using so-called Argonausschleuskla possible.
  • the advantageous effect of the resulting Argonausschleusung from the separated in the low pressure column fluid is due to the fact that the oxygen-argon separation for the discharged Argonmenge in the low-pressure column is no longer necessary.
  • Low-pressure column itself is basically expensive and requires a corresponding "heating" capacity of the main capacitor. If argon is discharged and thus omits the oxygen-argon separation or this is displaced, for example, in a crude argon or Argonausschleuskla, the corresponding amount of argon must not be separated in the oxygen section of the low pressure column and the heating power of the main capacitor can be reduced. Therefore, with the same yield of oxygen, more pressure nitrogen can be removed from the high-pressure column, which is currently the goal of the present invention.
  • an "argon discharge column” can be understood to mean a separation column for argon-oxygen separation which is not suitable for
  • Argon discharge column connected to an intermediate point of the low-pressure column and the argon discharge column is cooled by a top condenser, on its evaporation side typically relaxed bottom liquid from the
  • An argon discharge column typically does not have a bottom evaporator.
  • Method is at least temporarily a subset of at least in the
  • Main air compressor condensed air as recirculation cooled, work relaxed, reheated and returned to the main air compressor.
  • Return amount can also be further compressed, especially in one of the illustrated booster.
  • the work-performing relaxation can be done in particular in one of the previously explained expansion turbines.
  • For cooling in particular the main heat exchanger of the air separation plant is used, which the
  • Intermediate temperature level ie a temperature level between the hot and the cold end, can be removed.
  • the method according to the invention can in particular increase its flexibility for operating cases with highly variable gas production and relatively constant liquid production.
  • the last-mentioned measures thus increase the flexibility, in particular with the measures explained above, the measures explained last being particularly advantageous when only small demands are placed on the measures
  • the recirculation amount can be cooled together with other compressed in the main air compressor air, work expanded to the second pressure level and fed into the high-pressure column, wherein the Return amount of the high-pressure column removed without the additional air, reheated and returned to the second pressure level in the main air compressor.
  • a return line to the main air compressor for feeding the recirculation amount is provided. This can in particular open downstream of the second or the third compressor stage of the main air compressor in these.
  • the present invention further relates to a plant for the production of one or more air products, with respect to the features of which reference is made to the corresponding independent claim.
  • Air separation plant is based on the above explanations regarding the
  • Figure 1 shows a non-inventive air separation plant in a schematic representation.
  • Figure 2 shows a non-inventive air separation plant in a schematic representation.
  • Figure 3 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in a schematic representation.
  • a feed air flow a (AIR) is sucked in by means of a main air compressor 1 via a filter 2 and compressed to a pressure level, which is referred to here as the first pressure level.
  • the main air compressor 1 may in particular be designed in multiple stages with intermediate cooling.
  • Main air compressor 1 associated radiator is representative of several
  • the air separation process carried out in the air separation plant 100 is a high-pressure method explained above, so that the first pressure level is at least 3 bar above a pressure level at which a high-pressure column 14 of a
  • Rectification column system (see below) of the air separation plant 100 is operated, which is referred to here as the second pressure level.
  • the total amount of air supplied to the rectification column system, which is compressed to the first pressure level, is referred to herein as the amount of feed air.
  • Use air quantity is in the form of the feed air flow a first in one
  • Cooling device 4 is cooled and then at least largely freed of water and carbon dioxide in an adsorption 5.
  • the adsorption device 5 is regenerated with regeneration gas, which can be released after its use, for example, to the atmosphere (ATM).
  • ATM atmosphere
  • Feed air flow a now designated b for better distinctness, is first divided into two partial flows c and d.
  • the partial flow c is in a booster 6, which mechanically with a
  • Expansion turbine 7 is coupled, to a pressure level above the first
  • Main heat exchanger 9 of the air separation plant 100 supplied. Since the partial flow c is the booster 6 at ambient temperature or above, but in any case at a temperature level above 0 ° C, fed, it is also used as a warm booster designated. A partial flow e of the partial flow c is taken from the main heat exchanger 9 at an intermediate temperature level, expanded in the expansion turbine 7 and fed into the high-pressure column 14 in at least partially gaseous state. A partial flow f of the partial flow d is removed from the main heat exchanger 9 cold side and a throttle 10 in the liquid state in the
  • the partial flow f is thus a first throttle flow.
  • the partial flow d is without further division into two partial streams the
  • Main heat exchanger 9 of the air separation plant 100 supplied.
  • the partial flow d is removed from the main heat exchanger 9 cold side and fed via a throttle 13 in the liquid state in the high-pressure column 14. It is previously combined with the partial flow f or fed directly into the high-pressure column 14.
  • Partial flow d is thus a second throttle flow.
  • the operation of the rectification column system comprising in the air separation plant 100 the already mentioned high-pressure column 14, a low-pressure column 15, a crude argon column 16 and a pure argon column 17 can basically be taken from the technical literature cited above.
  • the air separation plant 100 is set up for internal compression.
  • the low-pressure column 15 is taken from an oxygen-rich bottom product in the form of a stream i liquid, in an internal compression pump 18 to about 30 bar (a) or brought to a higher, for example to a supercritical, pressure level, to a proportion in the form of a Material flow k or two partial streams of the stream k in the main heat exchanger 9 evaporated or transferred from the liquid to the supercritical state, and as internally compressed oxygen-rich
  • Air products (GOX IC, GOX IC2) delivered at the plant boundary.
  • a further portion of the material stream i is conducted to the plant boundary after the internal compression in the form of a stream I and delivered there as a liquid oxygen product (LOX).
  • the temperature can be adjusted by a partial guiding of the material flow I through a subcooling countercurrent 19.
  • GNIC nitrogen-rich internal compression product
  • Oxygen-enriched liquid in the form of a stream m can be taken from the bottom of the high-pressure column 14.
  • the stream M can through the
  • Reinargonklale 17 are fed. Liquid and gaseous components taken from these evaporation chambers are fed into the low-pressure column 15.
  • the crude argon column 16 and the pure argon column 17 are operated in a known manner.
  • the argon-enriched fluid in the form of a stream n is taken from the low-pressure column 15 at a suitable position and in the
  • Rohargonklale 16 depleted of oxygen, which is returned to the low pressure column 15. Nitrogenous crude argon is transferred in the form of a stream o in the pure argon column, where in particular nitrogen is separated and to the
  • Atmosphere can be delivered.
  • Liquid argon (LAR) can be delivered as a product at the plant boundary.
  • the low-pressure column 15 can be taken from the top side gas, which in the form of a stream p through the supercooling countercurrent 19 and then passed through the main heat exchanger 9 (see also linkage A) and partly after heating in a heater 20 as the aforementioned regeneration in the adsorption 5 can be used. Also, a discharge to the atmosphere (ATM), for example, at times when no regeneration gas is needed, is basically possible. From a bottom in an upper region of the low pressure column 15, a liquid, nitrogen-rich stream q can be withdrawn and discharged as a liquid product (LIN) at the plant boundary.
  • LIN liquid product
  • Liquid air can be withdrawn from the high-pressure column 14 in the form of a stream of material r, passed through the subcooling countercurrent 19 and fed into the low-pressure column 15. From the top of the high-pressure column 14 nitrogen-rich gas can be withdrawn in the form of a stream s. This can be a part in the form of a stream t in a high-pressure column 14 and the low-pressure column 15th
  • An essential aspect of the air separation plant shown here is the treatment of the portion of the fraction not passed through the main condenser 21
  • Material stream s This is because it was taken from the high-pressure column 14, at the pressure level, the second pressure level, before, and in the example shown in the form of a stream u the main heat exchanger 9 cold side supplied and removed warm side.
  • Temperature level designated temperature level the material flow u is brought in a booster 12 to a pressure level above the second pressure level, which is referred to here as the third pressure level, and cooled in an aftercooler 12 '.
  • a partial flow x of the partial flow u is again supplied to the main heat exchanger 9, this cold side taken, that is cooled to a temperature level, which is referred to here as the second temperature level, relaxed in the liquid state via a throttle 22 and returned to an upper region of the high pressure column 14.
  • the partial flow x is thus another throttle flow.
  • Partial flow y of the partial flow u is delivered at the plant boundary as gaseous compressed nitrogen product (PGAN).
  • GPN gaseous compressed nitrogen product
  • Main heat exchanger 9 is heated to a first temperature level, fed to the booster 12 at this first temperature level, and further compressed using the booster 12 to the third pressure level.
  • the first subset, i. the stream y is discharged after compression to the third pressure level from the air separation plant.
  • the second subset i. the stream x, is cooled after compression to the third pressure level using the main heat exchanger 9 to the second temperature level, relaxed to the second pressure level and in the
  • High pressure column 14 returned.
  • a substance flow v can here furthermore be associated with a lower region of the high-pressure column 14.
  • FIG. 2 shows a further non-inventive air separation plant in FIG.
  • the partial stream d is again divided into two partial streams g and h, which are fed to the main heat exchanger 9.
  • the partial flow g is the main heat exchanger 9 on a
  • the partial flow h is therefore a second throttle flow.
  • FIG 3 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in a schematic representation. Again, a description has already been omitted to Figure 1 or 2 illustrated components. These are not with again
  • This "first temperature level" in the embodiment of the invention illustrated herein is well above a corresponding inlet temperature level of a cold booster in known methods and under that of a classic warmbooster. Reference is made to the advantages explained above. It should be expressly emphasized that the booster 12 deviating from the illustration in Figure 3 with external energy, ie

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Abstract

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Rektifikationssäulensystem (14-17), das eine Hochdrucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) umfasst, sowie mit einem Hauptwärmetauscher (9) und einem Hauptluftverdichter vor, wobei die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem (10-17) zugeführte Luft in dem Hauptluftverdichter (1) auf ein erstes Druckniveau verdichtet wird, und die Hochdrucksäule (15) auf einem zweiten Druckniveau betrieben wird, das mindestens (3) bar unterhalb des ersten Druckniveaus liegt, und der Hochdrucksäule (15) auf dem zweiten Druckniveau ein gasförmiges stickstoffreiches Fluid entnommen und ohne eine vorherige Verflüssigung in gasförmigem Zustand erwärmt wird. Es ist vorgesehen, dass eine erste Teilmenge des gasförmigen stickstoffreichen Fluids erwärmt, auf diesem einem Booster (12) zugeführt, und unter Verwendung des Boosters (12) weiter auf ein drittes Druckniveau verdichtet wird. In der Erfindung wird als das erste Temperaturniveau ein Temperaturniveau von -50 bis 0 °C verwendet und die erste Teilmenge nach der Verdichtung auf das dritte Druckniveau auf ein zweites Temperaturniveau oberhalb des ersten Temperaturniveaus erwärmt und dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet. Ferner wird in der Erfindung eine zweite Teilmenge des gasförmigen stickstoffreichen Fluids zusammen mit der ersten Teilmenge auf das erste Temperaturniveau erwärmt, auf diesem dem Booster (12) zugeführt, und unter Verwendung des Boosters (12) weiter auf das dritte Druckniveau verdichtet. Die zweite Teilmenge wird nach der Verdichtung auf das dritte Druckniveau zumindest zeitweise auf ein drittes Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus abgekühlt, anschließend auf das zweite Druckniveau entspannt, und wieder in die Hochdrucksäule (15) zurückgeführt. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und Luftzerleaunasanlaae
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen
Patentansprüche.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und
beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH,
2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den
Rektifikationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Rektifikationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Die Rektifikationssäulen der genannten Rektifikationssäulensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Doppelsäulensysteme weisen eine sogenannte Hochdrucksäule (auch als Drucksäule, Mitteldrucksäule oder untere Säule bezeichnet) und eine sogenannte Niederdrucksäule (auch als obere Säule bezeichnet) auf. Das Druckniveau der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4 bis 6 bar, vorzugsweise etwa 5,5 bar. Die Niederdrucksäule wird auf einem Druckniveau von beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,7 bar, vorzugsweise etwa 1 ,5 bar, betrieben. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Druckniveaus handelt es sich jeweils um Absolutdrücke, die am Kopf der jeweils genannten Säulen vorliegen. Die genannten Werte stellen lediglich Beispiele dar, die bei Bedarf verändert werden können. Zur Luftzerlegung können sogenannte Hauptverdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte
Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher
konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz.
Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet wird, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf das Druckniveau der Hochdrucksäule oder ein Druckniveau, das sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar von dem Druckniveau der
Hochdrucksäule unterscheidet, verdichtet, und auf diesem niedrigeren Druckniveau in die Hochdrucksäule eingespeist. Ein Beispiel für ein Hauptverdichter/Nachverdichter- Verfahren ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.
Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte dem
Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf ein
Druckniveau verdichtet, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied kann beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar betragen. Hochluftdruck- Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung kommt insbesondere bei Luftzerlegungsanlagen mit sogenannter Innenverdichtung (IV, Internal Compression, IC) zum Einsatz. Hierbei wird wenigstens ein Produkt, das mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, dadurch gebildet, dass dem Rektifikationssäulensystem eine tiefkalte Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, und durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt wird.
Beispielsweise kann auf diese Weise innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff (GOX IV, GOX IC) oder Stickstoff (GAN IV, GAN IC) erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ ebenfalls möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.), Abschnitt 2.2.5.2, "Internal
Compression", erläutert. Aus der EP 2 603 754 A2 bzw. der WO 2012/019753 A1 ist ein
Innenverdichtungsverfahren zur Bereitstellung eines sauerstoffhaltigen Luftprodukts bekannt, bei dem Stickstoff aus der Hochdrucksäule entnommen, warm unter
Verwendung von externer Energie verdichtet, verflüssigt und in das
Destillationssäulensystem zurückgeführt wird.
Die FR 2 787 561 A1 betrifft ein Verfahren, bei Stickstoff aus der Hochdrucksäule entnommen und zum Teil durch einen weiteren Kondensatorverdampfer, der sich oberhalb des Hauptkondensators in der Niederdruckkolonne befindet, geführt wird.
Hier gebildete Flüssigkeit kann zum Teil in die Hochdrucksäule und zum Teil in die Niederdrucksäule zurückgeführt werden.
A.R. Smith und D.W. Woodward diskutieren in Research Disclosure Nr. 39133, November 1996, Seiten 733 bis 739, unterschiedliche Aspekte im Zusammenhang mit der Erhöhung der Flexibilität von Luftzerlegungsverfahren. Unter anderem wird auch hier ein Innenverdichtungsverfahren gezeigt, das im Zusammenhang mit einem
Hochluftdruck-Verfahren verwendet werden könnte.
In der EP 3 176 526 A1 wird ein Verfahren zum Überführen eines Fluids aus einem ersten Trennsäulenbereich in einen zweiten Trennsäulenbereich vorgeschlagen, wobei die Überführung eine Verdampfung und eine Rückverflüssigung umfasst.
Gemäß der EP 0 618 415 A1 wird in einem Hochluftdruck-Verfahren ein dem
Destillationssäulensystem entnommenes Zyklusfluid erwärmt, verdichtet und gekühlt ein Teil wird arbeitsleistend entspannt, der Rest wird verflüssigt.
Aufgrund von deutlich geringeren Kosten und vergleichbarer Effizienz können
Hochluftdruck-Verfahren eine vorteilhafte Alternative zu den konventionelleren
Hauptverdichter/Nachverdichter- Verfahren darstellen. Dies gilt jedoch nicht in sämtlichen Fällen. Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, zumindest in einem Teil solcher Fälle einen vorteilhaften Einsatz eines Hochluftdruck-Verfahrens zu ermöglichen. Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer
Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Nachfolgend werden zunächst einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert.
Unter einer "Einsatzluftmenge" oder kurz "Einsatzluft" wird im Rahmen dieser
Anmeldung der dem Rektifikationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführte und damit sämtliche dem Rektifikationssäulensystem zugeführte Luft verstanden. Wie bereits zuvor erläutert, wird eine entsprechende Einsatzluftmenge in einem Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren nur zu einem Teil auf ein
Druckniveau verdichtet, das deutlich oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Hingegen wird in einem Hochluftdruck- Verfahren die gesamte Einsatzluftmenge auf ein derartig hohes Druckniveau verdichtet. Zur Bedeutung des Begriffs "deutlich" im Zusammenhang mit Hauptverdichter/Nachverdichter- und Hochluftdruck-Verfahren sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Unter einer "tiefkalten" Flüssigkeit wird hier ein flüssiges Medium verstanden, dessen Siedepunkt deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, z.B. bei -50 °C oder weniger, insbesondere bei -100 °C oder weniger. Beispiele für tiefkalte Flüssigkeiten sind flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff, flüssiges Argon oder Flüssigkeiten, die reich an den genannten Verbindungen sind.
Zu den in Luftzerlegungsanlagen eingesetzten Vorrichtungen bzw. Apparaten sei auf Fachliteratur wie Häring (s.o.), insbesondere Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Nachfolgend werden zur Verdeutlichung und klareren Abgrenzung einige Aspekte entsprechender Vorrichtungen näher erläutert.
In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der Einsatzluftmenge mehrstufige Turboverdichter zum Einsatz, die hier als "Hauptluftverdichter" bezeichnet werden. Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung des zu verdichtenden Mediums mittels T urbinenschaufeln, die auf einem T urbinenrad oder direkt auf einer Welle angeordnet sind. Ein Turboverdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch bei einem mehrstufigen Turboverdichter mehrere Verdichterstufen aufweisen kann. Eine Verdichterstufe umfasst dabei in der Regel ein Turbinenrad oder eine entsprechende Anordnung von Turbinenschaufeln. Alle dieser Verdichterstufen können von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Verdichterstufen gruppenweise mit unterschiedlichen Wellen anzutreiben, wobei die Wellen auch über Getriebe miteinander verbunden sein können.
Der Hauptluftverdichter zeichnet sich ferner dadurch aus, dass durch diesen die gesamte in das Rektifikationssäulensystem eingespeiste und zur Herstellung von Luftprodukten verwendete Luftmenge, also die gesamte Einsatzluft, verdichtet wird. Entsprechend kann auch ein "Nachverdichter" vorgesehen sein, in dem aber nur ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird. Auch dieser kann als Turboverdichter ausgebildet sein. Zur Verdichtung von Teilluftmengen sind typischerweise weitere Turboverdichter vorgesehen, die auch als Booster bezeichnet werden, im Vergleich zu dem
Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch ggf. nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang vornehmen. Auch in einem Hochluftdruck-Verfahren kann ein Nachverdichter vorhanden sein, dieser verdichtet jedoch eine Teilmenge der Luft dann ausgehend von einem entsprechend höheren Druckniveau.
An mehreren Stellen in Luftzerlegungsanlagen kann ferner Luft entspannt werden, wozu unter anderem Entspannungsmaschinen in Form von Turboexpandern, hier auch als "Entspannungsturbinen" bezeichnet, zum Einsatz kommen können. Turboexpander können auch mit Turboverdichtern gekoppelt sein und diese antreiben. Werden ein oder mehrere Turboverdichter ohne extern zugeführte Energie, d.h. nur über einen oder mehrere Turboexpander, angetrieben, wird für eine derartige Anordnung auch der Begriff "Turbinenbooster" verwendet. In einem Turbinenbooster sind der
Turboexpander (die Entspannungsturbine) und der Turboverdichter (der Booster) mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein
zwischengeschaltetes Getriebe) erfolgen kann. Ein Booster kann aber grundsätzlich auch unter Verwendung von externer Energie, beispielsweise unter Einsatz eines Elektromotors, angetrieben werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können, wie auch nachfolgend noch im Detail erläutert, Turbinenbooster und unter Verwendung von externer Energie angetriebene Booster verwendet werden.
Flüssige, gasförmige oder auch im überkritischen Zustand vorliegende Fluide können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren
Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 25%, 10%, 5%, 1 %, 0,1 % oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der soeben getroffenen Definition von "reich" entsprechen, bezeichnet jedoch insbesondere einen Gehalt von mehr als 90%. Ist hier
beispielsweise von "Stickstoff" die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff reiches Gas handeln.
Nachfolgend werden zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die
Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau" verwendet, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um ein erfinderisches Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen
typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1 %, 5% oder 10% um einen Mittelwert liegen. Unterschiedliche Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen.
Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein.
Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
Vorteile der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein kostengünstiges und gleichzeitig effizientes Hochluftdruck-Verfahren geschaffen. Wie bereits eingangs erläutert, stellen derartige Hochluftdruck-Verfahren in bestimmten Fällen eine gute Alternative zu herkömmlichen Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren dar, können jedoch nicht in allen Fällen ihre Vorteile entfalten. Grundsätzlich sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Hochluftdruck- Verfahren bekannt. Diese werden häufig nach der Flüssigkeitsleistung der Anlage bzw. nach dem Verhältnis von innenverdichteten Produkten zu Flüssigprodukten klassifiziert und unterschieden.
Bei vergleichsweise geringen Flüssigleistung, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung allerdings nicht in Betracht gezogen wird, kann beispielsweise ein sogenannter Kaltbooster eingesetzt werden, um die Prozesseffizienz durch
Umwandlung überschüssiger Kälteleistung in höheren Luftdruck zu steigern. In einem entsprechenden Kaltbooster wird herkömmlicherweise ein Teil der der
Luftzerlegungsanlage zugeführten Einsatzluft, der im Hauptwärmetauscher auf ein Zwischentemperaturniveau abgekühlt und ggf. zuvor bereits druckerhöht wurde, auf ein höheres Druckniveau gebracht. Eine Luftzerlegungsanlage mit einem Kaltbooster ist beispielsweise in der EP 3 101 374 A2 offenbart.
Eine entsprechende Anlage mit einem Kaltbooster kann beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn hierbei ca. 37.000 Normkubikmeter verdichteter gasförmiger Sauerstoff pro Stunde bei 31 bar, 20.000 Normkubikmeter gasförmiger Stickstoff pro Stunde bei 10 bar, 3.000 Normkubikmeter flüssiger Stickstoff pro Stunde und 3.300 Normkubikmeter flüssiger Sauerstoff pro Stunde, insbesondere bei gleichzeitiger Argonproduktion, gebildet werden sollen.
Grundsätzlich wird dabei hier unter einem Kaltbooster ein Booster verstanden, der mit Fluid gespeist wird, das auf einem Temperaturniveau vorliegt, das deutlich unterhalb der jeweiligen Umgebungstemperatur am Ort der Luftzerlegungsanlage liegt, insbesondere deutlich unterhalb von -50 °C oder unterhalb von -100 °C. Die
Steigerung der Prozesseffizienz durch einen Kaltbooster ist unter den zuvor genannten Bedingungen möglich, weil durch die vergleichsweise reduzierte Flüssigleistung dem System keine entsprechende Kältemenge "entzogen" wird, wie dies der Fall wäre, wenn entsprechende Produkte flüssig ausgeführt würden, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Fall. Ein Kaltbooster zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung kann als Turbinenbooster oder als mit externer Energie angetriebener Booster ausgebildet sein. Eine Verbesserung der Effizienz von Hochluftdruck-Verfahren durch den Einsatz mehrerer Drosselströme bei unterschiedlichem Drücken ist ebenfalls bekannt. Bei einem "Drosselstrom" handelt es sich dabei um einen Teil der Einsatzluftmenge, die auf einem Druckniveau oberhalb des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule im
Hauptwärmetauscher abgekühlt, zumindest teilweise verflüssigt bzw. bei
entsprechendem Druck aus dem gasförmigen in den überkritischen Zustand überführt und anschließend mittels einer Entspannungseinrichtung, klassischerweise eines Entspannungsventils ("Drossel") entspannt und dem Rektifikationssäulensystem, insbesondere der Hochdrucksäule, zugeführt wird.
Ein Druckstickstoffprodukt bei beispielsweise ca. 10 bar kann beispielsweise durch Nachverdichtung bereitgestellt werden, insbesondere als Druckstickstoff aus der bei ca. 5,5 bar arbeitenden Hochdrucksäule oder durch Innenverdichtung. Im ersten Fall wird ein separater Verdichter benötigt, im letzteren eine Innenverdichtungspumpe und ein nochmals größerer Wärmetauscher.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird nun die eingangs erläuterte Aufgabe, die darin besteht, ein kostengünstiges und gleichwohl effizientes Hochluftdruck-Verfahren bereitzustellen, bei vergleichsweise hoher Flüssigproduktion, bei der keine
überschüssigen Kältemengen bereitstehen und daher kein Einsatz eines Kaltboosters in der zuvor erläuterten Weise sinnvoll oder vorteilhaft ist, dadurch gelöst, dass ein Stickstoffstrom aus der Hochdrucksäule einem Turbinenbooster oder einem mit externer Energie angetriebenen Booster im Vergleich zu den bei einem Kaltbooster vorliegenden Temperaturen warm, jedoch noch unterhalb von 0 °C bzw. auf einem noch geringeren Temperaturniveau, zugeführt und dort verdichtet wird. Dieses Verfahren wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise ausgestaltet und weitergebildet. Konkrete Temperaturniveaus sind unten im Detail erläutert. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgende Verdichtung erfolgt also auf einem Temperaturniveau, das deutlich oberhalb des entsprechenden Temperaturniveaus bei Einsatz eines Kaltboosters, jedoch typischerweise unterhalb der Umgebungstemperatur, liegt. Der Stickstoff aus der Hochdrucksäule wird im Rahmen der Erfindung daher keiner Erwärmung auf Umgebungstemperatur sondern nur einer Teilerwärmung unterworfen, bevor er der Verdichtung zugeführt wird. Durch den Einsatz eines auf einem entsprechenden Temperaturniveaus betriebenen Verdichters für den Stickstoffstrom aus der Hochdrucksäule kann auf einen Nachkühler stromab des Verdichters verzichtet werden, da die Austrittstemperatur dieses
Verdichters aufgrund der kälteren Eintrittstemperatur beispielsweise bei einer gewünschten Entnahmetempteratur bzw. einer Eintrittstemperatur in den
Hauptwärmetauscher liegen kann. Die Austrittstemperatur kann durch eine geeignete Wahl der Eintrittstemperatur und des Druckverhältnisses bei der Verdichtung in dem Booster einfach eingestellt werden.
Die Druckverhältnisse von Kaltboostern liegen typischerweise bei maximal 1 ,9 bis 2.
Ein Druckverhältnis ist dabei definiert als das Verhältnis des Eingangsdrucks zum Ausgangsdruck eines entsprechenden Boosters. Dieses Druckverhältnis reicht aus, um die geforderte Menge an Stickstoffprodukt, im vorliegenden Fall bei ca. 10 bar, zu liefern. Daher ist ein Kaltbooster zur Bereitstellung von Druckstickstoff auf einem entsprechenden Druckniveau vorteilhaft einsetzbar. Entsprechendes gilt auch bezüglich des gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzten Boosters. Dieser kann ein vergleichbares Druckverhältnis aufweisen. Dieses reicht damit auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus, die geforderte Menge an Stickstoffprodukt, im vorliegenden Fall beispielsweise bei ca. 10 oder 9 bar (abs.), zu liefern.
Die vorliegende Erfindung umfasst zusätzlich zu der Verdichtung eines
Druckstickstoffprodukts immer auch die besonders vorteilhafte Ausbalancierung der überschüssigen Kälteleistung im gesamten Prozess und der Leistung des eingesetzten Boosters bzw. Verdichters. Dies wird dadurch erreicht, dass neben der jeweiligen Produktmenge auch eine bestimmte zusätzliche Menge an Druckstickstoff aus der Hochdrucksäule mitverdichtet und anschließend als zusätzlicher Drosselstrom im Hauptwärmetauscher verwendet wird. Eine entsprechende zusätzliche Menge an Druckstickstoff wird also im Rahmen der vorliegenden Erfindung im
Hauptwärmetauscher zumindest teilweise verflüssigt und wieder in die
Hochdrucksäule, eingespeist. Eine entsprechende zusätzliche Menge wird also dem Hauptwärmetauscher wieder zugeführt und muss daher auf einer geeigneten
Temperatur bereitgestellt werden. Dies wird durch den Einsatz des erfindungsgemäß betriebenen Boosters auch ohne die Verwendung eines Nachkühlers möglich. Die zusätzlich zu der wärmeren Verdichtung des Druckstickstoffprodukts
vorgenommene Bildung des zusätzlichen Drosselstroms führt im Vergleich zu einer Warmverdichtung von Stickstoff ohne Bildung eines entsprechenden zusätzlichen Drosselstroms in einem ansonsten energetisch optimierten Verfahren (nachfolgend als "Verfahren mit herkömmlicher Warmverdichtung" bezeichnet) zu deutlichen Vorteilen. Es werde für den Vergleich beispielsweise von einem Anwendungsfall ausgegangen, in dem in einem entsprechenden Verfahren ca. 49 600 Normkubikmeter pro Stunde innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff (GOXIC) bei 30 bar (abs.), ca. 9 000
Normkubikmeter pro Stunde gasförmiger Druckstickstoff (GAN) bei 9 bar (abs.), ca. 9 500 Normkubikmeter pro Stunde Flüssigstickstoff (LIN), ca. 3 350 Normkubikmeter pro Stunde Flüssigsauerstoff (LOX) und ca. 1 980 Normkubikmeter pro Stunde
Flüssigargon (LAR) produziert werden. In diesem Fall ergibt sich in der vorteilhaften Ausgestaltung ein kF-Wert von 3 830 kW/K. In dem Verfahren mit herkömmlicher Warmverdichtung liegt der kF-Wert um 230 kW/K darunter, beträgt also 94% des Werts in der vorteilhaften Ausgestaltung. Der minimale Temperaturdifferenz im
Wärmetauscher liegt aber in beiden Fällen bei 1 ,0 K (gemäß Grenzbedingungen für Prozessoptimierung). Der Energieverbrauch ergibt sich in der vorteilhaften
Ausgestaltung zu ca. 32 490 kW. In dem Verfahren mit herkömmlicher
Warmverdichtung liegt der Energieverbrauch um ca. 130 kW höher, beträgt also 100,4% des Werts in der vorteilhaften Ausgestaltung. In der vorteilhaften
Ausgestaltung können ca. 1 993 Normkubikmeter pro Stunde Argonprodukt bereitgestellt werden. In dem Verfahren mit herkömmlicher Warmverdichtung liegt dieser Wert um 15 Normkubikmeter pro Stunde niedriger (relevant für Märkte mit hohem Bedarf an Argon).
Durch geringere Energieaufnahme sowie Verbesserung in der Argonausbeute ergeben sich auf diese Weise ein Kostenvorteil (gemäß einer "Total cost of Ownership"-Analyse mit Einbeziehung von verschiedenen Bewertungs- und Investzahlen für i.d.R.15 Jahre Anlagenbetrieb) von einigen 100 000 Euro. Noch nicht betrachtet ist dabei der
Unterschied im Wirkungsgrad des verwendeten Boosters. Bei der Verdichtung des zusätzlichen Drosselstroms zusätzlich zu dem Druckstickstoffprodukt werden in einem entsprechenden Booster größere Stoffmengen verdichtet als bei einer Verdichtung des Druckstickstoffprodukts alleine. Bei höherem Durchsatz steigt der Wirkungsgrad einer entsprechenden Maschine an. Ein verbessertes Q-T-Profil, wie es sich in der zweiten Alternative erzielen lässt, führt sinngemäß zu einem größeren Wärmetauscher. Eine berechnete Vergrößerung des kF-Werts um ca. 6% (siehe oben). Dieser Nachteil wird durch die erläuterten
Betriebskostenvorteile überkompensiert.
Die vorliegende Erfindung schafft insgesamt auch in Fällen, in denen ein Einsatz eines klassischen Kaltboosters nicht sinnvoll oder vorteilhaft ist, ein kostengünstiges und gleichwohl effizientes HAP-Verfahren. Eine wichtige zusätzliche Leistung der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines geeigneten Konzeptes zur Deckung von Peakverbräuchen eines Druckstickstoffprodukts der nachfolgend erläuterten Art. Entsprechende Peakverbräche können ausgesprochen hoch sein (beispielsweise um den Faktor 2 bis 5 höher als ein kontinuierlicher Verbrauch).
Oftmals werden entsprechende Peaks gemäß dem Stand der Technik mit Hilfe eines Backupsystems durch Verdampfen von kryogener Flüssigkeit (LIN) abgedeckt, was jedoch ineffizient und kostenaufwendig ist. Mit der gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Verschaltung kann dieses Problem deutlich abgemildert werden.
Dies kann dadurch erfolgen, dass die Menge des hier gebildeten und mitverdichteten Stickstoffdrosselstroms bei einem auftretenden Verbrauchspeak stattdessen mit als Produkt ausgeführt und die Menge der zu verdampfenden Flüssigkeit damit stark reduziert wird. Für die Luftzerlegungsanlage hat dies an sich keine großen
Konsequenzen, da der Betrieb der Anlage zumindest in den Zeiten des
Peakverbrauchs auch ohne den Stickstoffdrosselstrom mit etwas reduzierter
Flüssigproduktion möglich ist.
Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich bei einer Vielzahl von
Hochluftdruckverfahren sowie bei allen möglichen Ausführungen des
Rektifikationsteils (mit oder ohne Argonproduktion, Dreisäulenverfahren etc.) anwendbar. Der zur Verdichtung des Stickstoffs bzw. eines stickstoffreichen Fluids aus der Hochdrucksäule verwendete Booster bzw. Verdichter kann mehrstufig (für deutlich höhere Enddrücke) ausgeführt werden. Der erläuterte Stickstoffdrosselstrom kann dabei nach der ersten Stufe entnommen werden. Ausführungsformen mit deutlich höheren Drücken sind ebenfalls vorstellbar.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird durch die benötigte höhere
Flüssigproduktion auf Kaltbooster verzichtet und das Q-T-Profil im Wärmetauscher durch einen zusätzlichen Drosselstrom verbessert. Der Einsatz eines zusätzlichen Stickstoff-Drosselstroms wirkt sich auch positiv auf die Produktausbeute aus, da auf diese Weise weniger Luft vorverflüssigt wird (anstelle von Einsatzluft wird
Druckstickstoff aus der Hochdrucksäule verflüssigt).
Von Bedeutung ist dabei auch eine entsprechende Anpassung der Rektifikation, wie sie unten nochmals erwähnt wird. Um mehr Druckstickstoff aus der Drucksäule ohne die Verschlechterung der Argon-Ausbeute entnehmen zu können, sollte die
Niederdrucksäule argonoptimiert, also mit einem zusätzlichen Rektifikationsabschnitt zwischen den Einspeisestellen der Argonkondensatoren ausgeführt werden, wenn beispielsweise Roh- und Reinargonsäulen oder Argonausschleussäulen verwendet werden. Die Menge des zusätzlichen Stickstoff-Drosselstroms stellt dabei einen Optimierungsparameter dar. Sämtlicher Stickstoff, der der Hochdrucksäule entnommen und weder kondensiert und als Rücklauf in diese zurückgeführt noch kondensiert und als flüssiger Rücklauf auf die Niederdrucksäule verwendet wird (wie vorliegend der Fall), beeinträchtigt grundsätzlich die Trennung in der Niederdrucksäule, weil er dort nicht mehr als Rücklauf zur Verfügung steht.
Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage mit einem Rektifikationssäulensystem vor, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule umfasst, und die ferner mit einem Hauptwärmetauscher und einem Hauptluftverdichter ausgestattet ist. Wie bereits erwähnt, kommt die vorliegende Erfindung in
Zusammenhang mit einem Hochluftdruck- Verfahren zum Einsatz, es wird also die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem zugeführte Luft in dem Hauptluftverdichter auf ein erstes Druckniveau verdichtet und die Hochdrucksäule wird auf einem zweiten Druckniveau betrieben, das mindestens 3 bar unterhalb des ersten Druckniveaus liegt. Für weitere typische Druckunterschiede sei auf die Erläuterungen in der Einleitung ausdrücklich verwiesen.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie grundsätzlich bekannt, der Hochdrucksäule auf dem zweiten Druckniveau ein gasförmiges, stickstoffreiches Fluid, beispielsweise mit einem Stickstoffgehalt von mindestens 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 99%, entnommen und ohne eine vorherige Verflüssigung im gasförmigen Zustand erwärmt. Bei diesem Fluid handelt es sich in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen um Druckstickstoff, der als Verfahrensprodukt der Luftzerlegungsanlage entzogen werden soll. Herkömmlicherweise erfolgt eine vollständige Anwärmung eines derartigen stickstoffreichen Fluids in dem Hauptwärmetauscher und eine
anschließende Abgabe als ein entsprechendes Produkt. Ist hier davon die Rede, dass ein entsprechendes Fluid "ohne eine vorherige Verflüssigung" in gasförmigem Zustand erwärmt wird, sei hierunter verstanden, dass es sich bei einem entsprechenden Fluid nicht um solchen Stickstoff handelt, der aus der Hochdrucksäule entnommen, in einem die Hoch- und die Niederdrucksäule wärmetauschend verbindenden Hauptkondensator verflüssigt und anschließend beispielsweise auf die Hochdrucksäule zurückgeführt bzw. in die Niederdrucksäule eingespeist wird. Auch derartiges Fluid kann
grundsätzlich angewärmt werden oder beispielsweise zur Bereitstellung von
Flüssigstickstoff dienen. Entsprechende Fluide können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung (jedoch zusätzlich zu dem ohne vorherige Verflüssigung in gasförmigem Zustand erwärmten Fluid) eingesetzt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist dabei vorgesehen, eine erste Teilmenge des gasförmigen, stickstoffreichen Fluids auf ein erstes Temperaturniveau von -50 bis 0 °C, insbesondere -50 bis -20 °C, weiter insbesondere -45 bis -35 °C,
beispielsweise ca.^lO °C, zu erwärmen, auf diesem ersten Temperaturniveau einen Booster zuzuführen, und unter Verwendung des Boosters weiter auf ein drittes
Druckniveau zu verdichten. Bei dem Booster handelt es sich aufgrund des ersten Temperaturniveaus, auf dem das gasförmige, stickstoffreiche Fluid bzw. die erste Teilmenge dieses Fluids dem Booster zugeführt werden, im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht um einen "Kaltbooster" im oben erläuterten Sinn. Der Booster kann als ein Turbinenbooster oder als ein mittels externer Energie angetriebener Booster ausgebildet sein, wie bereits erläutert. Die Vorteile wurden ebenfalls bereits zuvor erwähnt.
Das dritte Druckniveau liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere auf einem Druckniveau, auf dem ein entsprechendes Stickstoffprodukt abgegeben werden soll, etwa auf einem Druck von 8 bis 12 bar, insbesondere von 9 bis 1 1 bar, beispielsweise ca. 10 oder 9 bar (abs.). Bei einem derartigen Druckniveau handelt es sich also um den Abgabedruck eines entsprechenden stickstoffreichen Druckprodukts. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ferner vorgesehen, die erste Teilmenge dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage auszuleiten. Die entsprechende erste Teilmenge wird also als Druckprodukt bereitgestellt.
Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung stets vorgesehen, eine zweite Teilmenge des gasförmigen, stickstoffreichen Fluids zusammen mit der zuvor bereits erwähnten ersten Teilmenge ebenfalls auf das erste Temperaturniveau zu erwärmen, auf diesem ersten Temperaturniveau dem Booster zuzuführen, und unter Verwendung des Boosters weiter auf das dritte Druckniveau zu verdichten. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, die zweite Teilmenge nach der Verdichtung auf das dritte Druckniveau zumindest zeitweise auf ein zweites Temperaturniveau unterhalb des ersten
Temperaturniveaus abzukühlen, anschließend auf das zweite Druckniveau zu entspannen, und wieder die Hochdrucksäule zurückzuführen. Dies entspricht der oben erläuterten Bildung eines weiteren Drosselstroms und führt zu den dort weiter erläuterten spezifischen Vorteilen.
Die zweite Teilmenge wird dabei bei der Abkühlung auf das dritte Temperaturniveau insbesondere zumindest teilweise verflüssigt bzw. aus dem überkritischen Zustand in den flüssigen Zustand überführt. Es wird also in diesem Fall, wie erwähnt, eine Teilmenge (nämlich die zweite Teilmenge) des in dem Booster verdichteten
Druckstickstoffs als weiterer Drosselstrom eingesetzt. Bei dem zweiten
Temperaturniveau kann es sich um ein Temperaturniveau von -180 bis -165 °C, insbesondere von -177 bis -167 °C, beispielsweise -172 °C, handeln.
Die zweite Teilmenge wird dabei der Abkühlung auf das zweite Temperaturniveau vorteilhafterweise auf einem Temperaturniveau zugeführt, das zumindest bei dem Temperaturniveau liegt, auf dem die zweite Teilmenge dem Booster entnommen wird. Das Temperaturniveau, auf dem die zweite Teilmenge der Abkühlung zugeführt wird, ist also in diesem Fall gleich wie oder höher als das Temperaturniveau, auf dem die zweite Teilmenge dem Booster entnommen wird. Mit anderen Worten wird in dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kein Nachkühler verwendet. Die Abkühlung auf das zweite Temperaturniveau erfolgt vorteilhafterweise im Hauptwärmetauscher. Das Temperaturniveau der Entnahme der zweiten Teilmenge aus dem Booster und das Temperaturniveau der Einspeisung der zweiten Teilmenge in den
Hauptwärmetauscher liegen vorteilhafterweise bei einem Temperaturniveau, bei dem auch Einsatzluft dem Hauptwärmetauscher zugeführt wird, bzw. einem wärmsten Temperaturniveau, das in dem Hauptwärmetauscher vorliegt. Durch die Einsparung eines Nachkühlers ergeben sich eine einfachere Erstellung einer entsprechenden Anlage und ggf. ein geringerer Kälteverlust.
Zur Deckung der erläuterten Peakverbräuche kann in der vorliegenden Erfindung insbesondere die zweite Teilmenge nach der Verdichtung auf das dritte Druckniveau in einem ersten Zeitraum (wenn kein Peakverbrauch vorliegt) wie erläutert zur Bildung des weiteren Drosselstroms auf das zweite Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus abgekühlt, anschließend auf das zweite Druckniveau entspannt, und wieder in die Hochdrucksäule zurückgeführt werden. In einem zweiten, nicht mit dem ersten Zeitraum überlappenden Zeitraum (wenn ein entsprechender
Peakverbrauch vorliegt) kann der zweite Anteil stattessen zumindest zum Teil zusammen mit der ersten Teilmenge dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Vorteile wurden bereits erläutert.
Wie erläutert, eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere dann, wenn mittels eines entsprechenden Verfahrens bzw. einer entsprechenden Anlage vergleichsweise große Mengen an flüssigen Luftprodukten bereitgestellt werden sollen und gleichzeitig ein Sauerstoff-Innenverdichtungsprodukt bereitgestellt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden daher vorteilhafterweise ein oder mehrere flüssige Luftprodukte in flüssigem Zustand dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Diese flüssigen Luftprodukte umfassen insbesondere flüssigen Sauerstoff, flüssigen Stickstoff und flüssiges Argon bzw. Fluide, die im oben erläuterten Sinn reich an diesen Komponenten sind. Nicht alle diese flüssigen Luftprodukte müssen im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt und dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Ferner werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung dem Destillationssäulensystem eine oder mehrere sauerstoffreiche Flüssigkeiten entnommen, in flüssigem Zustand druckerhöht, durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und ebenfalls dauerhaft aus der
Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beträgt eine Äquivalenzmenge sämtlicher der dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage
ausgeleiteten flüssigen Luftprodukte 20 bis 40 Molprozent, insbesondere 25 bis 35 Molprozent, der Gesamtmenge der einen oder der mehreren sauerstoffreichen
Flüssigkeiten, die dem Destillationssäulensystem entnommen, in flüssigem Zustand druckerhöht, durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird oder werden. Die Äquivalenzmenge bestimmt sich, soweit jeweils vorhanden, aus einer
Gesamtmenge in flüssigem Zustand dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleiteter stickstoffreicher Luftprodukte zuzüglich dem 1 ,08-fachen der
Gesamtmenge in flüssigem Zustand dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleiteter sauerstoffreicher Luftprodukte zuzüglich dem 1 ,08-fachen der
Gesamtmenge in flüssigem Zustand dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleiteter argonreicher Luftprodukte.
Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ferner auch möglich, eine dritte
Teilmenge des stickstoffreichen Fluids ohne Verdichtung auf das dritte Druckniveau auf das erste Temperaturniveau zu erwärmen und dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage auszuleiten. Entsprechender Stickstoff kann beispielsweise in Form von sogenanntem Sealgas bzw. als ein Stickstoffprodukt auf geringerem Druckniveau bereitgestellt werden. Die erste, die zweite und die dritte Teilmenge bilden vorzugsweise gemeinsam die Gesamtmenge des der Hochdrucksäule entnommenen und nicht verflüssigten stickstoffreichen Fluids.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung die erste und die zweite Teilmenge unter Verwendung des Hauptwärmetauschers auf das erste Temperaturniveau erwärmt werden und/oder wenn die zweite Teilmenge unter
Verwendung des Hauptwärmetauschers auf das zweite Temperaturniveau abgekühlt wird. Wie bereits erläutert, kann auf diese Weise das Q-T-Profil im
Hauptwärmetauschers auf besonders günstige Weise beeinflusst werden.
Der zur Verdichtung des Stickstoffstroms, also der ersten und zweiten Teilmenge eingesetzte Booster ist in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie erwähnt, mit einer Entspannungsturbine gekoppelt, stellt also einen Turbinenbooster dar. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn in der mit dem Booster gekoppelten Entspannungsturbine ein Teil der dem Rektifikationssäulensystem zugeführten Luft auf das zweite Druckniveau entspannt wird, welcher zuvor unter Verwendung des
Hauptluftverdichters auf ein drittes Temperaturniveau abgekühlt wurde und welcher anschließend in die Hochdrucksäule eingespeist wird. Das dritte Temperaturniveau kann dabei bei -170 bis -120 °C, insbesondere bei -160 bis -130 °C, beispielsweise -149 °C, liegen.
Die Entspannung eines Teils der dem Rektifikationssystem zugeführten Luft in einer Entspannungsturbine zwecks Antreiben des Boosters kann prinzipiell auch auf etwa das Druckniveau der Niederdrucksäule mit anschließender Einspeisung dieses Stromes in die Niederdrucksäule erfolgen. In bestimmten Fällen kann es außerdem sinnvoll sein, einen weiteren Stickstoffstrom auf dem zweiten Druckniveau der
Hochdrucksäule zu entnehmen, auf ein bestimmtes Temperaturniveau im
Wärmetauscher anzuwärmen und zwecks Antriebs des Boosters in einer
Entspannungsturbine zu entspannen.
Alternativ dazu kann der Booster auch unter Verwendung von externer Energie, also nicht in Form von Energie, die in einem in der Luftzerlegungsanlage bereitgestellten Prozessstrom gespeichert ist, angetrieben werden. Insbesondere kann für den Antrieb des Boosters ein Elektromotor eingesetzt werden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die zweite Teilmenge einen Anteil, insbesondere einen normierten Mengenanteil, beispielsweise ausgedrückt in Normkubikmetern pro Stunde, von 0 bis 60%, insbesondere von 10 bis 50%, des der Hochdrucksäule auf dem zweiten Druckniveau entnommenen und ohne vorherige Verflüssigung in gasförmigem Zustand erwärmten gasförmigen stickstoffreichen Fluids umfasst. Auf diese Weise kann die Kapazität einer entsprechenden Anlage, wie erwähnt, nahezu vollständig ausgenutzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Teil der Luft, die dem Rektifikationssäulensystem zugeführt wird, in einem weiteren Booster von dem ersten Druckniveau auf ein viertes Druckniveau von 22 bis 32 bar, insbesondere von 24 bis 30 bar, beispielsweise 27 bar, verdichtet, unter Verwendung des Hauptwärmetauschers auf ein viertes
Temperaturniveau abgekühlt, in einer mit dem weiteren Booster mechanisch gekoppelten Entspannungsturbine auf das zweite Druckniveau entspannt, und anschließend in die Hochdrucksäule eingespeist wird. Ein derartiges Vorgehen unter Verwendung eines klassischen warmen Boosters kann dabei grundsätzlich dem Stand der Technik entsprechen und unterstützt die im Rahmen der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile. Bei einer derartigen Ausgestaltung erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn ein Teil der Luft, die dem Rektifikationssäulensystem zugeführt wird, in dem weiteren Booster von dem ersten Druckniveau auf das vierte Druckniveau verdichtet, unter Verwendung des Hauptwärmetauschers auf ein fünftes Temperaturniveau, das beispielsweise bei -165 bis -1 15 °C, insbesondere bei -150 bis -130 °C,
beispielsweise -141 °C, liegt, abgekühlt, auf das zweite Druckniveau entspannt, und anschließend in die Hochdrucksäule eingespeist wird. Auch hierdurch lassen sich die im Rahmen der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile nochmals vergrößern. Besondere Vorteile werden auch erzielt, wenn ein Teil der Luft, die dem
Rektifikationssäulensystem flüssig zugeführt wird, auf dem ersten Druckniveau unter Verwendung des Hauptwärmetauschers abgekühlt, von dem ersten Druckniveau auf das zweite Druckniveau entspannt, und anschließend in die Hochdrucksäule eingespeist wird. Zu den besonderen Vorteilen einer derartigen Ausgestaltung sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Insbesondere umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung das
Rektifikationssäulensystem wenigstens eine Rektifikationssäule, in welche ein gegenüber einer Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule an Argon angereichertes erstes Fluid aus der Niederdrucksäule überführt wird, und in der das erste Fluid an Argon abgereichert wird. Ein nach der Abreicherung an Argon verbleibender Rest des ersten Fluids wird dabei in Form eines zweiten Fluids in die Niederdrucksäule zurückgeführt. Die "Abreicherung" an Argon bezieht sich dabei auf den Rest des Fluids, der in die Niederdrucksäule zurückgeführt wird. Ein Kopfgas der Rektifikationssäule, in die das erste Fluid überführt wird, ist dagegen gegenüber dem ersten Fluid an Argon weiter angereichert. Die vorliegende Erfindung kann dabei grundsätzlich unter Verwendung von bekannten Roh- und ggf. Reinargonsäulen zum Einsatz kommen, es ist jedoch auch eine reine Argonausschleusung ohne Gewinnung eines Argonprodukts unter Verwendung von sogenannten Argonausschleussäulen möglich.
Der vorteilhafte Effekt der damit erzielten Argonausschleusung aus dem in der Niederdrucksäule getrennten Fluid ist darauf zurückzuführen, dass die Sauerstoff- Argon-Trennung für die ausgeschleuste Argonmenge in der Niederdrucksäule nicht mehr erforderlich ist. Das Abtrennen des Argons vom Sauerstoff in der
Niederdrucksäule selbst ist grundsätzlich aufwendig und verlangt nach einer entsprechenden "Heiz"-Leistung des Hauptkondensators. Wird Argon ausgeschleust und unterbleibt damit die Sauerstoff-Argon-Trennung oder wird diese beispielsweise in eine Rohargonsäule oder Argonausschleussäule verlagert, muss die entsprechende Argonmenge nicht mehr im Sauerstoffabschnitt der Niederdrucksäule abgetrennt werden und die Heizleistung des Hauptkondensators kann reduziert werden. Daher kann, bei gleichbleibender Ausbeute an Sauerstoff, mehr Druckstickstoff aus der Hochdrucksäule entnommen werden, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung gerade angestrebt wird.
In einer herkömmlichen Rohargonsäule kann Rohargon gewonnen und in einer nachgeschalteten Reinargonsäule zu einem Argonprodukt aufbereitet werden. Eine Argonausschleussäule dient hingegen vornehmlich zur Argonausschleusung zu dem oben erläuterten Zweck. Grundsätzlich kann unter einer "Argonausschleussäule" eine Trennsäule zur Argon-Sauerstoff-Trennung verstanden werden, die nicht zur
Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon der in Hochdrucksäule und Niederdrucksäule zu zerlegenden Luft dient. Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonsäule, allerdings enthält sie deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 15 und 30. Wie eine Rohargonsäule ist der Sumpfbereich einer
Argonausschleussäule mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule verbunden und die Argonausschleussäule wird durch einen Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite typischerweise entspannte Sumpfflüssigkeit aus der
Hochdrucksäule eingeleitet wird. Eine Argonausschleussäule weist typischerweise keinen Sumpfverdampfer auf.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Roh- und eine Reinargonsäule eingesetzt werden, die jeweils mit einem Kopfkondensator betrieben werden, in welchen sauerstoffangereicherte Flüssigkeit aus dem Sumpf der Hochdrucksäule, die insbesondere zuvor durch einen Unterkühlungsgegenströmer geführt wird, teilweise verdampft wird. Ein nicht verdampfter Anteil wird dabei jeweils flüssig in die
Niederdrucksäule eingespeist. Die Einspeisung des nicht verdampften Anteils aus dem Kopfkondensator der Reinargonsäule erfolgt dabei vorteilhafterweise 5 bis 15 theoretische Trennstufen oberhalb der Einspeisung des nicht verdampften Anteils aus dem Kopfkondensator der Rohargonsäule und letztere nochmals oberhalb der Entnahme des ersten und der Rückspeisung des zweiten Fluids. Auf diese Weise kann eine "argonoptimierte" Trennung erzielt werden, die eine entsprechende Entnahme größerer Menge stickstoffreichen Fluids aus der Hochdrucksäule ermöglicht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird zumindest zeitweise eine Teilmenge der zumindest in dem
Hauptluftverdichter verdichteten Luft als Rückführmenge abgekühlt, arbeitsleistend entspannt, wieder erwärmt und in den Hauptluftverdichter zurückgeführt. Die
Rückführmenge kann auch weiter verdichtet werden, insbesondere in einem der erläuterten Booster. Die arbeitsleistende Entspannung kann insbesondere in einem der zuvor erläuterten Entspannungsturbinen erfolgen. Zur Abkühlung wird insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage verwendet, welchem die
Rückführmenge zusammen mit weiterer Luft insbesondere auf einem
Zwischentemperaturniveau, also einem Temperaturniveau zwischen dem warmen und dem kalten Ende, entnommen werden kann.
Durch die soeben erläuterte besonders bevorzugte Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere dessen Flexibilität für Betriebsfälle mit stark variabler Gasproduktion und relativ konstanter Flüssigproduktion erhöht werden. Die zuletzt erläuterten Maßnahmen erhöhen also insbesondere mit den weiter oben erläuterten Maßnahmen die Flexibilität, wobei die zuletzt erläuterten Maßnahmen insbesondere dann von Vorteil sind, wenn nur geringe Anforderungen an die
Gasproduktion vorliegen. Die zuletzt erläuterten Maßnahmen erlauben es, die typischerweise bei Hochluftdruck-Verfahren gegebene enge Verknüpfung zwischen Rektifikation und Kälteerzeugung bis zu einem gewissen Grad aufzuheben.
Gewährleistet wird dies im Grunde dadurch, dass die zur Herstellung von geforderten Flüssigprodukten erforderliche Kälte unabhändig zu der Entspannung der zur
Rektifikation erforderlichen Luftmenge erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann der Hauptluftverdichter auch in Betriebsfällen mit sehr geringer Gasproduktion einerseits und auslegungskonformer Flüssigproduktion noch sicher im Kennfeld betrieben werden, da eine übermäßige Druckerhöhung hierbei nicht notwendig ist.
Insbesondere kann in der soeben erläuterten besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Rückführmenge zusammen mit weiterer in dem Hauptluftverdichter verdichteter Luft abgekühlt, auf das zweite Druckniveau arbeitsleistend entspannt und in die Hochdrucksäule eingespeist werden, wobei die Rückführmenge der Hochdrucksäule ohne die weitere Luft entnommen, wieder erwärmt und auf dem zweiten Druckniveau in den Hauptluftverdichter zurückgeführt wird. Hierbei wird insbesondere eine Rückführungsleitung zum Hauptluftverdichter zum Einspeisen der Rückführmenge bereitgestellt. Diese kann insbesondere stromab der zweiten oder der dritten Verdichterstufe des Hauptluftverdichters in diesen münden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte, bezüglich deren Merkmalen auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen wird.
Zu Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Luftzerlegungsanlage sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich des
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ausdrücklich verwiesen.
Entsprechendes gilt auch für eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor ausführlich erläutert wurde, und hierzu entsprechende Mittel aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Figur 1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in schematischer Darstellung.
Figur 2 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in schematischer Darstellung.
Figur 3 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung In Figur 1 ist eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in vereinfachter, schematischer Darstellung gezeigt und mit 100 bezeichnet.
In der Luftzerlegungsanlage 100 wird ein Einsatzluftstrom a (AIR) mittels eines Hauptluftverdichters 1 über ein Filter 2 angesaugt und auf ein Druckniveau verdichtet, das hier als erstes Druckniveau bezeichnet wird. Der Hauptluftverdichter 1 kann insbesondere mehrstufig mit Zwischenkühlung ausgebildet sein. Ein dem
Hauptluftverdichter 1 zugeordneter Kühler ist stellvertretend für mehrere
entsprechender Kühler gezeigt und mit 3 bezeichnet.
Das in der Luftzerlegungsanlage 100 durchgeführte Luftzerlegungsverfahren ist ein oben erläutertes Hochluftdruck-Verfahren, so dass das erste Druckniveau zumindest 3 bar oberhalb eines Druckniveaus liegt, auf dem eine Hochdrucksäule 14 eines
Rektifikationssäulensystems (siehe unten) der Luftzerlegungsanlage 100 betrieben wird, und das hier als zweites Druckniveau bezeichnet wird.
Die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem zugeführte Luftmenge, die auf das erste Druckniveau verdichtet wird, wird hier als Einsatzluftmenge bezeichnet. Diese
Einsatzluftmenge wird in Form des Einsatzluftstroms a zunächst in einer
Kühlreinrichtung 4 gekühlt und anschließend in einer Adsorptionseinrichtung 5 zumindest weitgehend von Wasser und Kohlendioxid befreit. Bezüglich der
Funktionsweise der Kühlreinrichtung 4 und der Adsorptionseinrichtung 5 sei auf Fachliteratur wie Häring (s.o.) verwiesen. Die Kühleinrichtung 4 wird in der
dargestellten Weise mit Kühlwasser (H20) betrieben. Die Adsorptionseinrichtung 5 wird mit Regeneriergas regeneriert, das nach seiner Verwendung beispielsweise an die Atmosphäre (ATM) abgegeben werden kann. Der gekühlte und aufgereinigte
Einsatzluftstrom a, der besseren Unterscheidbarkeit halber nun mit b bezeichnet, wird zunächst in zwei Teilströme c und d aufgeteilt.
Der Teilstrom c wird in einem Booster 6, der mechanisch mit einer
Entspannungsturbine 7 gekoppelt ist, auf ein Druckniveau oberhalb des ersten
Druckniveaus gebracht und nach Kühlung in einem Nachkühler 8 einem
Hauptwärmetauscher 9 der Luftzerlegungsanlage 100 zugeführt. Da der Teilstrom c dem Booster 6 bei Umgebungstemperatur oder darüber, jedenfalls aber auf einem Temperaturniveau oberhalb von 0 °C, zugeführt wird, wird er auch als Warmbooster bezeichnet. Ein Teilstrom e des Teilstroms c wird dem Hauptwärmetauscher 9 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, in der Entspannungsturbine 7 entspannt und in zumindest teilweise gasförmigem Zustand die Hochdrucksäule 14 eingespeist. Ein Teilstrom f des Teilstroms d wird dem Hauptwärmetauscher 9 kaltseitig entnommen und über eine Drossel 10 in flüssigem Zustand in die
Hochdrucksäule 14 eingespeist. Bei dem Teilstrom f handelt es sich also um einen ersten Drosselstrom.
Der Teilstrom d wird ohne weitere Aufteilung in zwei Teilströme dem
Hauptwärmetauscher 9 der Luftzerlegungsanlage 100 zugeführt. Der Teilstrom d wird dem Hauptwärmetauscher 9 kaltseitig entnommen und über eine Drossel 13 in flüssigem Zustand in die Hochdrucksäule 14 eingespeist. Er wird dabei zuvor mit dem Teilstrom f vereinigt oder direkt in die Hochdrucksäule 14 eingespeist. Bei dem
Teilstrom d handelt es sich also um einen zweiten Drosselstrom.
Der Betrieb des Rektifikationssäulensystems, das in der Luftzerlegungsanlage 100 die bereits erwähnte Hochdrucksäule 14, eine Niederdrucksäule 15, eine Rohargonsäule 16 und eine Reinargonsäule 17 umfasst, kann grundsätzlich der eingangs zitierten Fachliteratur entnommen werden.
Die Luftzerlegungsanlage 100 ist zur Innenverdichtung eingerichtet. Im dargestellten Beispiel wird hierzu der Niederdrucksäule 15 ein sauerstoffreiches Sumpfprodukt in Form eines Stoffstroms i flüssig entnommen, in einer Innenverdichtungspumpe 18 auf ca. 30 bar(a) oder auf ein höheres, beispielsweise auf ein überkritisches, Druckniveau gebracht, zu einem Anteil in Form eines Stoffstroms k bzw. zweier Teilströme des Stoffstroms k in dem Hauptwärmetauscher 9 verdampft bzw. vom flüssigen in den überkritischen Zustand überführt, und als innenverdichtete sauerstoffreiche
Luftprodukte (GOX IC, GOX IC2) an der Anlagengrenze abgegeben. Ein weiterer Anteil des Stoffstroms i wird nach der Innenverdichtung in Form eines Stoffstroms I an die Anlagengrenze geführt und dort als flüssiges Sauerstoffprodukt (LOX) abgegeben. Die Temperatur kann dabei durch ein teilweises Führen des Stoffstroms I durch einen Unterkühlungsgegenströmer 19 eingestellt werden. Ein weiteres, jedoch
stickstoffreiches Innenverdichtungsprodukt (GANIC) wird dadurch gebildet, dass der Hochdrucksäule 14 ein Stoffstrom i' flüssig entnommen, mittels einer weiteren Innenverdichtungspumpe 18' druckerhöht und im Hauptwärmetauscher 9 verdampft bzw. vom flüssigen in den überkritischen Zustand überführt wird.
Dem Sumpf der Hochdrucksäule 14 kann sauerstoffangereicherte Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms m entnommen werden. Der Stoffstrom m kann durch den
Unterkühlungsgegenströmer 19 geführt und anschließend anteilig in die jeweiligen Verdampfungsräume der Kopfkondensatoren der Rohargonsäule 16 und der
Reinargonsäule 17 eingespeist werden. Diesen Verdampfungsräumen entnommene flüssige und gasförmige Anteile werden in die Niederdrucksäule 15 eingespeist.
Die Rohargonsäule 16 und die Reinargonsäule 17 werden in bekannter Weise betrieben. Insbesondere wird der Niederdrucksäule 15 an geeigneter Position ein argonangereichertes Fluid in Form eines Stoffstroms n entnommen und in der
Rohargonsäule 16 an Sauerstoff abgereichert, der in die Niederdrucksäule 15 zurückgeführt wird. Stickstoffhaltiges Rohargon wird in Form eines Stoffstroms o in die Reinargonsäule überführt, wo insbesondere Stickstoff abgetrennt und an die
Atmosphäre (ATM) abgegeben werden kann. Flüssiges Argon (LAR) kann als Produkt an der Anlagengrenze abgegeben werden.
Der Niederdrucksäule 15 kann kopfseitig Gas entnommen werden, das in Form eines Stoffstroms p durch den Unterkühlungsgegenströmer 19 und anschließend durch den Hauptwärmetauscher 9 geführt (siehe auch Verknüpfung A) und zum Teil nach einer Erwärmung in einer Heizeinrichtung 20 als das bereits erwähnte Regeneriergas in der Adsorptionseinrichtung 5 eingesetzt werden kann. Auch eine Abführung an die Atmosphäre (ATM), beispielsweise zu Zeiten, in denen kein Regeneriergas benötigt wird, ist grundsätzlich möglich. Von einem Boden in einem oberen Bereich der Niederdrucksäule 15 kann ein flüssiger, stickstoffreicher Stoffstrom q abgezogen und als flüssiges Produkt (LIN) an der Anlagengrenze abgegeben werden.
Flüssigluft kann aus der Hochdrucksäule 14 in Form eines Stoffstroms r abgezogen, durch den Unterkühlungsgegenströmer 19 geführt und in die Niederdrucksäule 15 eingespeist werden. Vom Kopf der Hochdrucksäule 14 kann stickstoffreiches Gas in Form eines Stoffstroms s abgezogen werden. Dieses kann zu einem Teil in Form eines Stoffstroms t in einem die Hochdrucksäule 14 und die Niederdrucksäule 15
wärmetauschend verbindenden Hauptkondensator 21 verflüssigt und als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 14 verwendet sowie durch den Unterkühlungsgegenströmer 19 geführt und in die Niederdrucksäule 15 eingespeist werden.
Ein wesentlicher Aspekt der hier dargestellten Luftzerlegungsanlage besteht in der Behandlung des nicht durch den Hauptkondensator 21 geführten Anteils des
Stoffstroms s. Dieser liegt, da er der Hochdrucksäule 14 entnommen wurde, auf deren Druckniveau, dem zweiten Druckniveau, vor, und wird im dargestellten Beispiel in Form eines Stoffstroms u dem Hauptwärmetauscher 9 kaltseitig zugeführt und warmseitig entnommen.
Nach Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher 9 auf ein hier als erstes
Temperaturniveau bezeichnetes Temperaturniveau wird der Stoffstrom u in einem Booster 12 auf ein Druckniveau oberhalb des zweiten Druckniveaus gebracht, das hier als drittes Druckniveau bezeichnet wird, und in einem Nachkühler 12' gekühlt. Ein Teilstrom x des Teilstroms u wird wieder dem Hauptwärmetauscher 9 zugeführt, diesem kaltseitig entnommen, also auf ein Temperaturniveau abgekühlt, das hier als zweites Temperaturniveau bezeichnet wird, in flüssigem Zustand über eine Drossel 22 entspannt und in einen oberen Bereich der Hochdrucksäule 14 zurückgeführt. Bei dem Teilstrom x handelt es sich also um einen weiteren Drosselstrom. Ein weiterer
Teilstrom y des Teilstroms u wird hingegen an der Anlagengrenze als gasförmiges Druckstickstoffprodukt (PGAN) abgegeben.
Mit anderen Worten werden hier eine erste und eine zweite Teilmenge (die Stoffströme x und y) eines stickstoffreichen Fluids (des Stoffstroms u) der Hochdrucksäule 15 auf dem zweiten Druckniveau entnommen und unter Verwendung des
Hauptwärmetauschers 9 auf ein erstes Temperaturniveau erwärmt, auf diesem ersten Temperaturniveau dem Booster 12 zugeführt, und unter Verwendung des Boosters 12 weiter auf das dritte Druckniveau verdichtet. Die erste Teilmenge, d.h. der Stoffstrom y, wird nach der Verdichtung auf das dritte Druckniveau aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Die zweite Teilmenge, d.h. der Stoffstrom x, wird nach der Verdichtung auf das dritte Druckniveau unter Verwendung des Hauptwärmetauschers 9 auf das zweite Temperaturniveau abgekühlt, auf das zweite Druckniveau entspannt und in die
Hochdrucksäule 14 zurückgeführt. Wie in Figur 1 ferner veranschaulicht, kann hier ferner einem unteren Bereich der Hochdrucksäule 14 ein Stoffstrom v (siehe auch Verknüpfung B in Figur 1 )
entnommen, in dem Hauptwärmetauscher 9 erwärmt und als Rückführmenge in den Hauptluftverdichter 2 zurückgeführt werden. Diese Rückführung ist optional und kann insbesondere auch auf Zeiträume hoher Verbrauche beschränkt werden. Weitere Details und Vorteile wurden bereits oben erläutert.
Figur 2 zeigt eine weitere nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in
schematischer Darstellung, wobei auf eine Beschreibung bereits zu Figur 1 erläuterter Komponenten verzichtet wird. Diese sind auch nicht erneut mit Bezugszeichen versehen.
Der Teilstrom d wird hier im Gegensatz zu der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 erneut in zwei Teilströme g und h aufgeteilt, die dem Hauptwärmetauscher 9 zugeführt werden. Der Teilstrom g wird dem Hauptwärmetauscher 9 auf einem
Zwischentemperaturniveau entnommen, in einer Entspannungsturbine 1 1 , die hier mit dem Booster 12 mechanisch gekoppelt ist, entspannt und in zumindest teilweise gasförmigem Zustand die Hochdrucksäule 14 eingespeist. Er wird dabei zuvor mit dem Teilstrom e vereinigt. Der Teilstrom h wird dem Hauptwärmetauscher 9 kaltseitig entnommen und über eine Drossel 13 in flüssigem Zustand in die Hochdrucksäule 14 eingespeist. Er wird dabei zuvor mit dem Teilstrom f vereinigt oder direkt in die
Hochdrucksäule 14 eingespeist. Bei dem Teilstrom h handelt es sich also um einen zweiten Drosselstrom.
Figur 3 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Wiederum wurde auf eine Beschreibung bereits zu Figur 1 bzw. 2 erläuterter Komponenten verzichtet. Diese sind auch nicht erneut mit
Bezugszeichen versehen.
Wie in Figur 3 veranschaulicht, kann auf einen Nachkühler 12' verzichtet werden, wenn, wie hier der Fall, der Stoffstrom u dem Hauptwärmetauscher 9 nicht vollständig warmseitig sondern auf einem Zwischentemperaturniveau bei ca. -40 °C entnommen und auf diesem Temperaturniveau dem Booster 12 zugeführt wird. Dieses "erste Temperaturniveau" in der hier veranschaulichten Ausgestaltung der Erfindung liegt deutlich oberhalb eines entsprechenden Eintrittstemperaturniveaus eines Kaltboosters in bekannten Verfahren und unter jenem eines klassischen Warmboosters. Auf die oben erläuterten Vorteile wird verwiesen. Es sei ausdrücklich betont, dass der Booster 12 abweichend zu der Darstellung in Figur 3 auch mit externer Energie, d.h.
entsprechend Figur 1 , angetrieben werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Rektifikationssäulensystem (14-17), das eine Hochdrucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) umfasst, sowie mit einem Hauptwärmetauscher (9) und einem Hauptluftverdichter (1 ), bei dem
- die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem (14-17) zugeführte Luft in dem Hauptluftverdichter (1 ) auf ein erstes Druckniveau verdichtet wird, wobei die Hochdrucksäule (15) auf einem zweiten Druckniveau betrieben wird, das mindestens 3 bar unterhalb des ersten Druckniveaus liegt, und
- der Hochdrucksäule (15) auf dem zweiten Druckniveau ein gasförmiges
stickstoffreiches Fluid entnommen und ohne eine vorherige Verflüssigung in gasförmigem Zustand erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine erste Teilmenge des gasförmigen stickstoffreichen Fluids auf ein erstes Temperaturniveau von -50 bis 0 °C, erwärmt, auf diesem ersten
Temperaturniveau einem Booster (12) zugeführt, unter Verwendung des Boosters (12) weiter auf ein drittes Druckniveau verdichtet, und nach der Verdichtung auf das dritte Druckniveau dauerhaft aus der
Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird,
- eine zweite Teilmenge des gasförmigen stickstoffreichen Fluids zusammen mit der ersten Teilmenge auf das erste Temperaturniveau erwärmt, auf diesem ersten Temperaturniveau dem Booster (12) zugeführt, und unter Verwendung des Boosters (12) weiter auf das dritte Druckniveau verdichtet wird, wobei die zweite Teilmenge nach der Verdichtung auf das dritte
Druckniveau zumindest zeitweise auf ein zweites Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus abgekühlt, auf das zweite Druckniveau entspannt, und in die Hochdrucksäule (15) zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die zweite Teilmenge in einem ersten Zeitraum nach der Verdichtung auf das dritte Druckniveau auf das zweite
Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus abgekühlt, anschließend auf das zweite Druckniveau entspannt, und wieder in die
Hochdrucksäule (15) zurückgeführt wird, und bei dem die zweite Teilmenge in einem zweiten, nicht mit dem ersten Zeitraum überlappenden Zeitraum stattessen zusammen mit der ersten Teilmenge dauerhaft aus der
Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die zweite Teilmenge der Abkühlung auf das zweite Temperaturniveau auf einem Temperaturniveau zugeführt wird, das zumindest bei dem Temperaturniveau liegt, auf dem die zweite Teilmenge dem Booster (12) entnommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem
- ein oder mehrere flüssige Luftprodukte gebildet und in flüssigem Zustand dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet werden sowie dem Destillationssäulensystem (14-17) eine oder mehrere sauerstoffreiche Flüssigkeiten entnommen, in flüssigem Zustand druckerhöht, durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet werden, und
- eine Äquivalenzmenge des einen oder der mehreren dauerhaft aus der
Luftzerlegungsanlage ausgeleiteten flüssiger Luftprodukte 25 bis 35
Molprozent der Gesamtmenge der einen oder der mehreren sauerstoffreichen Flüssigkeiten beträgt, die dem Destillationssäulensystem entnommen, in flüssigem Zustand druckerhöht, durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird oder werden, wobei sich die Äquivalenzmenge aus einer Gesamtmenge dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage (100) in flüssigem Zustand ausgeleiteter stickstoffreicher Luftprodukte zuzüglich dem 1 ,08-fachen einer Gesamtmenge in flüssigem Zustand dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleiteter sauerstoffreicher Luftprodukte zuzüglich dem 1 ,08-fachen einer Gesamtmenge in flüssigem Zustand dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleiteter argonreicher
Luftprodukte bestimmt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite Teilmenge unter Verwendung des Hauptwärmetauschers (9) auf das erste Temperaturniveau erwärmt werden und bei dem die zweite Teilmenge unter Verwendung des Hauptwärmetauschers (9) auf das zweite Temperaturniveau abgekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das dritte
Druckniveau bei 8 bis 12 bar liegt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Booster (12) mechanisch mit einer Entspannungsturbine (1 1 ) gekoppelt ist, wobei in der mit dem Booster (12) gekoppelten Entspannungsturbine (1 1 ) insbesondere ein Teil der dem Rektifikationssäulensystem (14-17) zugeführten Luft auf das zweite Druckniveau entspannt wird, welcher zuvor unter Verwendung des
Hauptwärmetauscher (9) auf ein drittes Temperaturniveau abgekühlt wurde und anschließend in die Hochdrucksäule (14) eingespeist wird, oder bei dem der Booster (12) unter Verwendung von externer Energie, insbesondere mittels eines Elektromotors (M), angetrieben wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zweite
Teilmenge einen Anteil von 10 bis 50% des der Hochdrucksäule (15) auf dem zweiten Druckniveau entnommenen und ohne vorherige Verflüssigung in gasförmigem Zustand erwärmten gasförmigen stickstoffreichen Fluids umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Teil der Luft, die dem Rektifikationssäulensystem (14-17) zugeführt wird, in einem weiteren Booster (6) von dem ersten Druckniveau auf ein viertes Druckniveau verdichtet, unter Verwendung des Hauptwärmetauschers (9) auf ein viertes
Temperaturniveau abgekühlt, in einer mit dem weiteren Booster (6) mechanisch gekoppelten Entspannungsturbine (7) auf das zweite Druckniveau entspannt, und anschließend in die Hochdrucksäule (14) eingespeist wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Teil der Luft, die dem
Rektifikationssäulensystem (14-17) zugeführt wird, in dem weiteren Booster (6) von dem ersten Druckniveau auf das vierte Druckniveau verdichtet, unter
Verwendung des Hauptwärmetauschers (9) auf ein fünftes Temperaturniveau abgekühlt, auf das zweite Druckniveau entspannt, und anschließend in die Hochdrucksäule (14) eingespeist wird.
1 1. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Teil der Luft, die dem Rektifikationssäulensystem (14-17) zugeführt wird, auf dem ersten
Druckniveau unter Verwendung des Hauptwärmetauschers (9) abgekühlt, von dem ersten Druckniveau auf das zweite Druckniveau entspannt, und anschließend in die Hochdrucksäule (14) eingespeist wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem
Rektifikationssäulensystem (14-17) wenigstens eine Rektifikationssäule (16) umfasst, in welche ein gegenüber einer Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule (15) an Argon angereichertes erstes Fluid aus der Niederdrucksäule (15) überführt wird, und in der das erste Fluid an Argon abgereichert wird, wobei ein nach der Abreicherung an Argon verbleibender Rest des ersten Fluids in die
Niederdrucksäule (15) zurückgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest zeitweise eine Teilmenge der zumindest in dem Hauptluftverdichter (1 ) verdichteten Luft als Rückführmenge abgekühlt, arbeitsleistend entspannt, wieder erwärmt und in den Hauptluftverdichter (1 ) zurückgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Rückführmenge zusammen mit weiterer in dem Hauptluftverdichter (1 ) verdichteter Luft abgekühlt auf das zweite
Druckniveau arbeitsleistend entspannt und in die Hochdrucksäule (15) eingespeist wird, wobei die Rückführmenge der Hochdrucksäule (15) ohne die weitere Luft entnommen, wieder erwärmt und auf dem zweiten Druckniveau in den
Hauptluftverdichter (1 ) zurückgeführt wird.
15. Anlage (100) zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte, mit einem
Rektifikationssäulensystem (14-17), das eine Hochdrucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) umfasst, sowie mit einem Hauptwärmetauscher (9) und einem Hauptluftverdichter, wobei die Anlage (100) Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind,
- die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem (14-17) zugeführte Luft in dem Hauptluftverdichter (1 ) auf ein erstes Druckniveau zu verdichten und die Hochdrucksäule (15) auf einem zweiten Druckniveau zu betreiben, das mindestens 3 bar unterhalb des ersten Druckniveaus liegt, und
- der Hochdrucksäule (15) auf dem zweiten Druckniveau ein gasförmiges
stickstoffreiches Fluid zu entnehmen und ohne eine vorherige Verflüssigung in gasförmigem Zustand zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Hauptwärmetauscher (9) dazu ausgebildet ist, eine erste Teilmenge des gasförmigen und stickstoffreichen Fluids auf ein erstes Temperaturniveau von -50 bis 0 °C, zu erwärmen, wobei ein Booster (12) bereitgestellt ist, der dafür eingerichtet ist, die erste Teilmenge weiter auf ein drittes Druckniveau zu verdichten, und wobei Mittel bereitgestellt sind, die erste Teilmenge anschließend dauerhaft aus der Luftzerlegungsanlage (100) auszuleiten, und
- dass der Hauptwärmetauscher (9) dafür eingerichtet ist, eine zweite
Teilmenge des gasförmigen und stickstoffreichen Fluids zusammen mit der ersten Teilmenge auf das erste Temperaturniveau zu erwärmen, wobei Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, die zweite Teilmenge auf dem ersten Temperaturniveau dem Booster (12) zuzuführen, der Booster (12) dafür eingerichtet ist, die zweite Teilmenge zusammen mit der ersten Teilmenge weiter auf das dritte Druckniveau zu verdichten, der Hauptwärmetauscher (9) dafür eingerichtet ist, die zweite Teilmenge nach der Verdichtung zumindest zeitweise auf ein zweites Temperaturniveau unterhalb des ersten
Temperaturniveaus abzukühlen, und Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, die zweite Teilmenge anschließend zumindest zeitweise auf das zweite Druckniveau zu entspannen und in die Hochdrucksäule (15) zurückzuführen.
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